1 Introduction 2 L`électro-aimant

Expériences d'électromagnétisme
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Introduction
Problématique et contexte historique
Electricité et magnétismes sont connus depuis longtemps comme des phénoménes séparés :
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Premières traces d'électricité : 600 avant JC, Thales de Millet. Des morceaux d'ambres jaunes ("elektron en
grec) font des étincelles quand ils sont frottés. Premiers courant électriques avec la pile de Volta en 1800. La
découverte de l'électron par Thomson date de 1897. L'électricité est en réalité l'écoulement des électrons.
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Premières traces de magnétisme : Thalès aussi. Des roches de la région de Magnésie s'attirent ou se repoussent.
Par magnétisme, on entend ici les propriétés du champ magnétique, qui décrit entre autres le comportement
des aimants.
Rappels sur les aimants 3 propriétés dont on se servira au cours de l'exposé (révisions de la grande section
de maternelle)
1. Les aimants présentent 2 pôles, Nord et Sud. Deux poles identiques se repoussent, deux poles opposés
s'attirent.
Démonstration avec des aimants.
Démonstration
avec un aimant et deux morceaux de fer. C'est comme ça que les aimants se "collent" au frigidaire.
2. Les aimants peuvent transformer certains métaux (Fer, Niquel, Cobalt) en aimant.
3. Les aimants tendent à s'aligner sur le champ magnétique. Évocation de la boussole et du champ
magnétique terrestre pour expliquer ce que ça veut dire. Pas de dénition plus précise du champ
magnétique.
Pendant des siécles, les deux phénoménes sont considérés comme indépendants. Il faut attendre 1820 pour que le
lien soit fait. Légende : Orsted, professeur Danois, découvre lors d'un cours que l'aiguille d'une boussole est déviée
à proximité d'un l parcouru par un courant électrique. Or on sait que pour agir sur un aimant, il faut un champ
magnétique.
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Le courant électrique a donc produit un champ magnétique !
L'électro-aimant
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On peut essayer de reproduire l'expérience d'Orsted et créer un champ magnétique avec un courant électrique.
Dans cette boite rouge se trouve un l dans lequel on va faire passer un courant. Comme on veut créer un
champ magnétique important, on va utiliser un courant important : 500A. Par comparaison, les installations
à la maisons :
'15A. Avertissement sécurité : ne pas essayer à la maison. Comme on veut créer un champ très
important, on va faire faire des boucles au l pour démultiplier les eets du courant : on appelle ça une bobine.
Comme on veut faire un champ très trés important, on va mettre deux bobines l'une en face de l'autre. On
branche le courant ; voilà , il y a un champ. J'espère que vous étes impressionnés.
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Est ce que vous voyez le champ ? Non ? Tant mieux, ça veut dire que vous n'étes ni des pigeons, ni des baleines.
Comment voir le champ ? Comment faites vous à la maison pour vérier si un machin est un aimant ? On le
colle sur la porte du frigo. Ici on n'a pas de portes de frigo sous la main alors on va faire ça avec un bout de
fer.
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2 volontaires, loin de l'aimant. Rien ne se passe. Un pas en avant et les deux chaines s'attirent.
Est on sûr qu'il s'agit bien d'un champ magnétique ? Si oui, alors les deux chaines sont elles mémes transformées
en aimants. Elles doivent donc s'attirer ou se repousser.
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Vérier que ce sont bien les extrémités s'attirent
Maintenant, on peut comprendre ce qu'est un champ. Le mot "champ magnétique" a été inventé par Michael
Faraday, un physicien britannique, vers 1830. Voilà le problème : l'aimant agit sur la chaine à distance. Est ce
que vous réussissez à agir sur des choses à distance, vous ? Interprétation : l'aimant crée quelque chose dans
tout l'espace et la chaine interagit avec ce quelque chose localement.
•
A quoi ressemble le champ ? On a dit que les aimants avaient tendance à s'aligner avec le champ. La chaine,
prés de l'aimant, est à l'horizontale. Comment est le champ ? Est ce qu'il est horizontal partout ? Comment
le vérier ?
Descendre et balancer le panneau
A quoi est ce qu'il ressemble, ce champ ? Il forme des lignes, qui
partent d'un pôle et vont vers l'autre. Toutes les lignes vont d'un pôle à l'autre ; il n'y a pas de lignes ouvertes.
Le premier à comprendre ces lignes s'appelle André Marie Ampère et il les décrit en langage mathématique
en 1825.
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A quel point ce champ est fort ? Après tout, les aiguilles sont très légères et les chaines pas très lourdes.
d'acier avec un volontaire entre les deux électroaimants pour la maintenir verticale.
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Barre
Daniel Suchet
Expériences d'électromagnétisme
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L'induction
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Imaginez la situation : vous étes en 1820, le courant électrique est dicile à produire, donc cher et vous savez
comment l'utiliser pour produire un champ magnétique qui ne sert quasiment à rien, à part à faire tourner
des aiguilles. Ce n'est pas forcément très intéressant sur le plan industriel. En revanche, ce qui serait bien, ce
serait de réussir à produire du courant électrique à partir d'un champ magnétique. Un champ magnétique,
c'est facile à faire, il sut d'avoir des aimants. Donc les physiciens se sont demandé si on pouvait créer un
courant avec un aimant.
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Présenter le circuit Donc voilà un circuit avec un l électrique et une ampoule. Voici un aimant. Est ce qu'avec
Placer l'aimant de diérentes maniéres Est ce que c'est parce que
l'aimant est trop faible ? Placer le circuit prés de l'électro aimant. Ca ne marche pas et ça embéte beaucoup
l'aimant, je peux produire un courant ?
les physiciens de l'époque. Si ça marche dans un sens, ça doit marche dans l'autre. Conclusion : il manque un
ingrédient.
•
Comment trouver ce qui manque ? En faisant l'expérience en sens inverse. On va mettre un courant électrique
dans un champ magnétique et voir comment il se comporte.
Expérience des ls de Laplace. Circuit extrémement
simple, avec juste deux ls. On met un champ magnétique, on fait passer du courant dans les ls : ils bougent.
On a vu tout à l'heure que le courant produit un champ
magnétique. Pour qu'un champ magnétique produise du courant, il faut que le champ "bouge" par rapport au
circuit".
L'ingrédient qui manquait, c'était le mouvement.
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Vérication avec la bobine et l'ampoule. Ce phénoméne s'appelle l'induction et c'est Michael Faraday qui l'a
découvert en 1831. La compréhension complète de l'électromagnétisme vient juste après, en 1864, grâce à un
physicien écossais James Clerk Maxwell. Lien avec la dynamo du vélo. Ouverture aux modes de production
d'énergie dans le monde (éolien, hydraulique, thermique...). C'est dire l'importance de l'induction. Passer aux
applications.
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Des applications au quotidien
Spire de Thomson On a vu que courant
⇒
champ et champ + mouvement
⇒
courant. Ici, plutét que de faire
bouger le circuit par rapport au champ, on va faire changer le champ par rapport au circuit. Dans la bobine,
il y a un courant. Parce qu'il y a un courant, il y a un champ magnétique. Le courant dans la bobine change
tout le temps. Il change de sens 100 fois par seconde. Le champ crée par le courant change donc lui aussi de
sens 100 fois par seconde. Ici, il y a un circuit électrique très simple, une spire. Le champ crée par la bobine
passe dans la spire et change réguliérement de sens. On a donc un circuit avec un champ qui bouge. Or champ
+ mouvement
⇒
courant, donc un courant apparait dans la spire. Mais courant
⇒
champ ; donc la spire elle
même crée un champ magnétique. Les champs magnétiques de la bobine et de la spire sont opposés, comme
deux aimants qui se font face. Or deux aimants qui se font fasse se repoussent. On peut donc s'attendre à ce
que la bobine repousse légérement la spire.
⇒ champ magnétique variable ⇒ courant
⇒ les deux se repoussent. Train à lévitation
Chandelier ⇒ lumière. Si à la verticale, les lignes
Plateau volant Même fonctionnement : bobine avec courant variable
induit dans le plateau
⇒
champ magnétique crée par le plateau
magnétique (Maglev au Japon, Transrapide an Allemagne).
ne passent plus au travers du circuit
⇒
plus de courant
⇒
plus de lumière. Asperger d'eau pour montrer la
chaleur. Lien avec les plaques à induction.
Résonateur de Tesla Le primaire créé un ux magnétique au travers du secondaire. L'intensité induite entraine
l'apparition d'une tension de 1.5 MV. Les charges ont assez d'énergie pour traverser 1m50 d'air et rejoindre les
pointes. Remarquer que les points "brillent" même lorsqu'elles ne sont pas frappées par un éclair (St Elme).
Remarquer que les éclairs les plus intenses sont ceux qui frappent les pointes. Un néon tenu sous le résonateur
s'allume à cause des champs électriques créés par le résonateur.
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Specs
Eclectro-aimant 2 bobines de 10 tours parcourues par 500A. Champ au centre
∼
0.1T ; monte à 1T avec les
noyaux de fer.
Spire de Thomson courant de 50Hz, intensité de.
Plateau volant courant de 900Hz, intensité de.
Résonateur de Tesla courant de 100 kHz, intensité de A, tension de 15kV dans le primaire de 15 tours, tension
de 1.5 MV dans le secondaire de 1500 tours.
Four à induction courant de 100 kHz, intensité de A. Limiter la puissance à 0.6 kW avant de mettre la barre.
Éclateur
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Dates
VI avant JC Thalès de Milet (-625, -548) remarque les propriétés de l'ambre jaune ainsi que des aimants.
Env 1560 William Gilbert (1544 1603) donne le nom d'electricité au phénomène. Il écrit
De Magnete
en 1600.
1799 Pile de Volta : accès maitrisée à un courant électrique
1820 Expérience d'Hans Christian Orsted (1777 - 1851)
1820 André-Marie Ampère (1775 - 1836) crée le lien entre électricité et magnétisme
1831 Michael Faraday (1791 - 1867) explique le phénomène d'induction
1864 Lois de l'électromagnétisme de James Clerk Maxwell (1831 - 1879)
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